导读：采用放电等离子烧结（SPS）和高应变率热轧工艺成功制备了含有高密度层错的碳纳米管增强铝基复合材料。研究发现，碳纳米管的加入促进了铝基体层错的形成。随着CNTs从0.5 vol.%增加到1.0 vol.%， CNTs的层错密度增大，这主要是由于Al基体的层错能降低所致。结合CNTs的均匀分散和Al-CNTs良好界面结合，有效地发挥了CNTs的强化效果，1 vol.% CNTs增强铝基复合材料的抗拉强度（378±8 MPa）和延展性（17.1±1.5%）最高。研究结果为CNTs增强金属基复合材料力学性能的改善提供了理论依据。

Al基复合材料（AMMCs）具有密度低、抗拉强度高、弹性模量大、耐磨性好、抗蠕变性能好等优点，可用于汽车、航空航天等行业，减轻重量，提高可靠性，受到学术界和工业界的高度关注。在复合材料的设计和制造中，具有优良性能的增强材料的使用对复合材料的最终性能起着决定性的作用。自1991年发现碳纳米管（CNTs）以来，理论计算和实验测量表明，碳纳米管具有优良的综合性能，如低密度、超高强度、mega Young 's模量以及高导热和导电性。因此，CNTs被认为是制造ammc的理想增强材料之一，具有较高的机械性能和功能性能。

在过去的20年里，许多研究报道了CNTs在Al基体与CNTs之间的分散和界面结合，旨在开发CNTs在AMMCs[8]中的强化作用。目前已发展出多种纳米炭分散方法，包括高能球磨、搅拌摩擦处理、溶液球磨和片状粉末冶金。其中，片状粉末冶金既能实现CNTs的均匀分散，又能保留CNTs的原始结构，在Al/CNTs复合材料制备中得到广泛应用。Jiang等人研究发现，通过片状粉末冶金，2 vol.%的CNTs可以均匀分布在整个al基体中，而结构损伤可以忽略。为了加强Al基体与CNTs之间的界面结合，已经发展了一些有效的剪裁界面结构的方法，即在Al基体与CNTs之间原位形成Al4C3、CNTs涂层和CNTs腐蚀。例如，Zhang等人验证了在CNTs表面覆盖原位形成的SiC层，使1 vol.% CNTs增强的复合材料的抗拉强度提高达到50 MPa。然而，尽管进行了大量的研究，Al/CNTs复合材料的力学性能仍然远远低于一些工业上使用的时效Al合金，如AA7075-T6合金。Al/CNTs复合材料的力学性能有待进一步提高。

有研究表明，对于具有相对较低的层错能（SFE）的纯金属或合金，层错（SF）和纳米孪晶有助于获得较高的强度和良好的延展性。研究发现，纳米孪晶或层错能提高材料的应变硬化能力，延缓缩颈和断裂，从而改善材料的力学性能。然而，纯铝或铝合金由于其固有的高SFE （γsf =120-144 mJm -2），很难形成层错或纳米孪晶。最近，Li等报道了纳米SiC颗粒的掺入可以促进Al基层错的形成，他们将层错的形成归因于Al基复合材料中高密度的纳米界面。然而，在Al/CNTs复合材料中，层错的影响尚未见报道。

在此，暨南大学郭柏松教授团队通过SPS和随后的高应变率热轧成功制备了含有高密度层错的Al/CNTs复合材料，系统研究了CNTs含量对Al/CNTs复合材料显微组织的演变及其对力学性能的影响，结合CNTs的均匀分散和Al-CNTs良好界面结合，有效地发挥了CNTs的强化效果，1 vol.% CNTs增强铝基复合材料的抗拉强度（378±8 MPa）和延展性（17.1±1.5%）最高。研究结果为CNTs增强金属基复合材料力学性能的改善提供了理论依据。

链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359836821000421#!

制备的Al/CNTs复合材料会形成层错，随着CNTs含量的增加，复合材料的密度增大。在所制备的3种Al/CNTs复合材料中，1.0 vol.% CNTs增强的复合材料力学性能最好，具有较高的强度和良好的延性，但获得的强度仍低于AA7075-T6合金。

图1原始Al粉末、纯化的CNTs、Al-CNTs混合粉末的形貌以及CNTs的统计长度。（a）原Al粉末，（b）纯化的CNTs， （c,f） Al-1.0 vol.% CNTs混合粉末，（d,e） Al-0.5 vol.% CNTs和Al-0.75vol. CNTs。% CNTs混合粉末。（g-i） Al-0.5vol中CNTs的统计长度。%碳纳米管，al - 0.75卷。% CNTs和Al-1.0 vol.% CNTs混合粉末。

图2 所制备复合材料的归一化XRD和Raman结果。（a） XRD谱图，（b）拉曼光谱。纯化后的CNTs的拉曼光谱也可以作为参考。

图3 TEM和EBSD表征Al@0.5CNTs复合材料的微观结构信息（a）亮场TEM图像，（b） （a）红矩形区域高分辨率TEM图像，（c） EBSD逆极图（IPF）， （d） Al基体晶粒尺寸统计结果。

随着CNTs含量的增加，晶粒细化、Orowan环化、载荷转移和层错对试验提高的屈服强度的贡献均单调增大，从而获得更好的力学性能。CNTs弥散均匀、Al-CNTs界面结合良好以及层错的存在是复合材料延性好的主要原因。

图4 TEM和EBSD表征Al@0.75CNTs复合材料的微观结构信息（a）亮视场TEM图像，（b）高分辨率透射电镜图像的红色矩形区域（a）， （c）高分辨率透射电镜图像形成的堆垛层错，（d）逆快速傅里叶变换（传输线）图像的绿色虚线矩形（c）， （e） EBSD反极图（IPF）， （f）统计结果的粒度矩阵。

图5 TEM和EBSD技术揭示Al@1.0CNTs复合材料的微观结构信息。（a）亮视场TEM图像，（b）高分辨率透射电镜图像的矩形区域（a）， （c）高分辨率透射电镜的形象形成的堆垛层错，（d）逆快速傅里叶变换（传输线）图像的绿色虚线矩形（c）， （e） EBSD反极图（IPF）， （f）统计结果的粒度矩阵。

图6本理论计算中采用的原子结构示意图。（a） Al （111）/CNTs（0001）所构建结构的投影图，其中紫色球代表Al原子，灰色球代表C原子，（b） Al/CNTs界面Al和C原子的最佳原子比。

图8制备的Al/CNTs复合材料与纯Al的密度和力学性能（a）密度，（b）硬度，（b）拉伸曲线，（d）杨氏模量。

图9 纯铝晶粒尺寸信息（a） EBSD逆极图（IPF）， （b）晶粒尺寸统计结果。

图10 Al@1.0CNTs复合材料破坏面观测。（a）低倍率和（b）高倍率SEM图像。

图11 基于所涉及加固机理的理论计算结果。（a）不同强化机制的强化优势；（b） CNTs和叠加断层对强度的贡献。